A descoberta de um efeito previamente desconhecido torna possível o controle compacto e ultrarrápido de spin qubits.
Engenheiros australianos descobriram uma nova maneira de controlar com precisão elétrons individuais aninhados em pontos quânticos que executam portas lógicas. Além disso, o novo mecanismo é menos volumoso e requer menos peças, o que pode ser essencial para tornar realidade os computadores quânticos de silício em larga escala.
A descoberta fortuita, feita por engenheiros da start-up de computação quântica Diraq e UNSW Sydney, foi detalhada em 12 de janeiro na revista Nature Nanotechnology.
“Este foi um efeito completamente novo que nunca tínhamos visto antes, que não entendemos bem no início”, disse o principal autor, Dr. Will Gilbert, engenheiro de processador quântico da Diraq, uma empresa spin-off da UNSW com sede em Sydney. campus. “Mas rapidamente ficou claro que esta era uma nova maneira poderosa de controlar os spins em um ponto quântico. E isso foi super emocionante.
As portas lógicas são o bloco de construção básico de toda a computação; eles permitem que ‘bits’ – ou dígitos binários (0s e 1s) – trabalhem juntos para processar informações. No entanto, um bit quântico (ou qubit) existe em ambos os estados ao mesmo tempo, uma condição conhecida como “superposição”. Isso permite uma infinidade de estratégias de computação – algumas exponencialmente mais rápidas, outras operando simultaneamente – que estão além dos computadores clássicos. Os próprios qubits são compostos de “pontos quânticos”, minúsculos nanodispositivos que podem capturar um ou alguns elétrons. O controle preciso dos elétrons é necessário para que a computação ocorra.
Usando campos elétricos em vez de campos magnéticos
Ao experimentar diferentes combinações geométricas de dispositivos com apenas bilionésimos de metro de tamanho que controlam pontos quânticos, junto com vários tipos de minúsculos ímãs e antenas que dirigem suas operações, o Dr. Tuomo Tanttu se deparou com um efeito estranho.
“Eu estava tentando operar com precisão uma porta de dois qubits, iterando por vários dispositivos diferentes, geometrias ligeiramente diferentes, diferentes pilhas de materiais e diferentes técnicas de controle”, lembra o Dr. Tanttu, engenheiro de medição da Diraq. “Então este pico estranho apareceu. Parecia que a taxa de rotação de um dos qubits estava acelerando, o que eu nunca tinha visto em quatro anos realizando esses experimentos.”
O que ele descobriu, os engenheiros perceberam mais tarde, foi uma nova maneira de manipular o estado quântico de um único qubit usando campos elétricos, em vez dos campos magnéticos que usavam anteriormente. Desde que a descoberta foi feita em 2020, os engenheiros vêm aperfeiçoando a técnica – que se tornou mais uma ferramenta em seu arsenal para cumprir a ambição da Diraq de construir bilhões de qubits em um único chip.
“Esta é uma nova maneira de manipular qubits e é menos volumosa de construir – você não precisa fabricar microímãs de cobalto ou uma antena ao lado dos qubits para gerar o efeito de controle”, disse Gilbert. “Isso elimina a necessidade de colocar estruturas extras ao redor de cada portão. Então, há menos confusão.”
Controlar elétrons individuais sem perturbar outros próximos é essencial para o processamento de informações quânticas em silício. Existem dois métodos estabelecidos: ‘ressonância de spin eletrônico’ (ESR) usando uma antena de micro-ondas no chip; e ressonância de spin de dipolo elétrico (EDSR), que se baseia em um campo magnético de gradiente induzido. A técnica recém-descoberta é conhecida como “EDSR de órbita de spin intrínseco”.
“Normalmente, projetamos nossas antenas de micro-ondas para fornecer campos puramente magnéticos”, disse o Dr. Tanttu. “Mas esse projeto de antena em particular gerou mais campo elétrico do que queríamos – e isso acabou sendo uma sorte, porque descobrimos um novo efeito que podemos usar para manipular qubits. Isso é serendipidade para você.
Discovery aproxima a computação quântica de silício
“Esta é uma joia de novo mecanismo, que apenas aumenta o tesouro de tecnologia proprietária que desenvolvemos nos últimos 20 anos de pesquisa”, disse o professor Andrew Dzurak, CEO e fundador da Diraq e professor de engenharia quântica na UNSW , que liderou a equipe que construiu a primeira porta lógica quântica em silício em 2015.
“Ele se baseia em nosso trabalho para tornar a computação quântica em silício uma realidade, baseada essencialmente na mesma tecnologia de componentes semicondutores dos chips de computador existentes, em vez de depender de materiais exóticos”, acrescentou. “Como é baseado na mesma tecnologia CMOS da indústria de computadores atual, nossa abordagem tornará mais fácil e rápido escalar para produção comercial e alcançar nosso objetivo de fabricar bilhões de qubits em um único chip.”
CMOS (ou semicondutor de óxido de metal complementar, pronuncia-se ‘see-moss’) é o processo de fabricação no coração dos computadores modernos. É usado para fazer todos os tipos de componentes de circuitos integrados – incluindo microprocessadores, microcontroladores, chips de memória e outros circuitos lógicos digitais, bem como circuitos analógicos, como sensores de imagem e conversores de dados.
Construir um computador quântico tem sido chamado de “corrida espacial do século 21” – um desafio difícil e ambicioso com o potencial de fornecer ferramentas revolucionárias para lidar com cálculos impossíveis, como o design de drogas complexas e materiais avançados, ou a busca rápida de bancos de dados maciços e não classificados.
“Muitas vezes pensamos em pousar na Lua como a maior maravilha tecnológica da humanidade”, disse Dzurak. “Mas a verdade é que os chips CMOS de hoje – com bilhões de dispositivos operacionais integrados para funcionar como uma sinfonia e que você carrega no bolso – é uma conquista técnica impressionante e que revolucionou a vida moderna. A computação quântica será igualmente surpreendente.”
Publicado em 22/01/2023 22h16
Artigo original:
- https://scitechdaily.com/breakthrough-discovery-brings-billion-qubit-quantum-computing-chips-closer/
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